基于FPGA的可重构智能仪器设计

　　0 引言

　　传统测试系统由于专用性强、相互不兼容、扩展性差、缺乏通用化、模块化，不能共享软硬件组成，不仅使开发效率低下，而且使得开发一套复杂测试系统的价格高昂[1]。目前，传统的分析仪表正在更新换代，向数字化，智能化方向迈进[2]。改变以往由仪器生产厂家定义仪器功能、用户只能使用的局面，使用户可自定义仪器、根据不同测试需求对仪器进行重构，已经成为现代测试技术发展的一个重要方面。由于其能够大大减少测试设备的维修成本、提高资源利用率，可重构仪器技术已引起高度重视。

　　1 可重构技术

　　目前对可重构性还没有形成公认的定义。可重构性一般是指在一个系统中，其硬件模块或(和)软件模块均能根据变化的数据流或控制流对结构和算法进行重新配置(或重新设置)。

　　在可重构系统(Reconfigurable System)中，硬件信息(可编程器件的配置信息)也可以像软件程序一样被动态调用或修改。这样既保留了硬件计算的性能，又兼具软件的灵活性。尤其是大规模可编程器件FPGA的出现，实时电路重构思想逐渐引起了学术界的关注[3]。可重构的实现技术又很多种方式，包括DSP重构技术、FPGA重构、DSP+FPGA重构、可重组算法逻辑体系结构、可进化硬件(EHW)、本地重构/Internet远程重构、SOPC/SOC重构。

　　可重构技术具有以下优点：

　　1)可重构技术能够高效地实现特定功能。可重构逻辑器件上都是硬连线逻辑，它通过改变器件的配置来改变功能。2)可重构技术能够动态改变器件配置，灵活满足多种功能的需求。3)可重构技术适合恶劣工作环境下的应用。利用可重构逻辑器件的一个优势是不需要微处理器必需的散热系统，大大减少了电子产品占据的空间。4)可重构技术具有强大的技术支持来加速产品开发。5)可重构技术的使用能够大大降低系统成本。另外，对于不会同时被使用的功能，可考虑利用动态重构技术在不同的需求时段里分别实现，做到“一片多用”，节省了资源、空间和成本。

　　2 可重构智能仪器硬件设计

　　2.1 可重构仪器硬件结构

　　可重构智能仪器技术将先进的微电子技术、半导体技术和微处理器技术引入仪器设计领域，通过构建通用的硬件平台，最终由用户通过选择不同的软件来实现不同的仪器功能，因此软硬件在可重构仪器设计技术中同样关键。

　　可重构智能仪器硬件结构由Nois II处理器系统(包括可重构FPGA芯片、FPGA片外系统)和计算机组成，其硬件结构框图如图1所示。

　　可重构FPGA选用Altera公司Cyclone II系列中的EP2C35F672C6芯片，片外系统主要包括SDRAM存储器、Flash存储器、模数转换芯片、数模转换芯片、EPC16增强型配置芯片、MAX232芯片等组成。片外系统实现数据的采集、预处理、存储和输出等功能。